Fermioner: Definition, spin, Pauli-princippet og typer (kvarker & leptoner)
Lær om fermioner: definition, spin, Pauli-eksklusionsprincippet og de 12 fundamentale kvarker og leptoner (plus antipartikler) — grundlaget for alt stof.
En fermion er en kategori af elementarpartikler eller partikler sammensat af sådanne. De er meget små og kan være både lette og tunge. Fermioner betragtes som stofets byggesten, fordi atomer er opbygget af fermioner (elektroner og de kvarker, der udgør atomkerner). Navnet "fermion" kom fra Paul Dirac og ærer fysikeren Enrico Fermi.
Spin og statistik
Fermioner karakteriseres ved at have et halvtals-spin (1/2, 3/2, 5/2 osv.). De mest almindelige fundamentale fermioner — som elektronen — har spin 1/2. Fordi deres spin er halvtal, følger fermioner Fermi-Dirac-statistikken, som beskriver sandsynligheden for et energiniveau er besat ved en given temperatur. I modsætning hertil har bosoner heltals-spin og følger Bose–Einstein-statistikken.
Pauli-eksklusionsprincippet og konsekvenser
Fermioner følger Pauli-eksklusionsprincippet, hvilket betyder, at to identiske fermioner ikke kan befinde sig i samme kvantetilstand samtidig (dvs. samme sæt kvantetal, herunder spin og rumlig tilstand). Dette princip er grundlæggende for materiens struktur: det forklarer, hvorfor elektroner i et atom fylder forskellige energiniveauer og dermed skaber den kemiske periodiske orden, og det giver anledning til degenerationspres i tætte objekter som hvid dværge og neutronstjerner.
Eksempler: fermioner vs. bosoner
Et konkret eksempel: en elektron er en fermion, mens en foton (kvantet af elektromagnetisk stråling) er en boson. Mange bosoner kan eksistere i præcis samme kvantetilstand (for eksempel giver det anledning til laserlys eller Bose–Einstein-kondensater), mens fermioner ikke kan det.
Fundamentale fermioner: kvarker og leptoner
Fundamentale fermioner (dem, der ikke er sammensat af andre partikler) inddeles i to hovedgrupper: kvarker og leptoner. Der findes 6 "smagsvarianter" (flavours) af hver type, fordelt i tre generationer. Her er navnene:
- Kvarker - up, ned, charme, mærkelige, top, bund
- Leptoner - elektron, myon, tau, elektronneutrino, myonneutrino, taunneutrino
Hver af disse fundamentale fermioner har en antipartikel, så der er 12 partikeltyper og 12 tilsvarende antipartikler — i alt 24 basisfermioner i den Standardmodel, vi kender i dag.
Ladning, masse og stabilitet
Antipartikler ligner deres partikler, men med modsatte kvantetal som elektrisk ladning. For kvarker gælder, at "up", "charm" og "top" har elektrisk ladning +2/3, mens deres antipartikler har -2/3. De tre andre kvarker ("down", "strange" og "bottom") har ladning -1/3, og deres antipartikler har +1/3. Elektronen, myonen og tau-leptonerne har alle ladning -1; deres antipartikler (anti-elektron eller positron, anti-muon, anti-tau) har ladning +1. Alle neutrinoer og anti-neutrinoer har ladning 0. Den mest væsentlige forskel mellem fermioner med samme ladning er deres masse og dermed deres stabilitet: elektronen er stabil, mens myon og tau er ustabile og henfalder til lettere partikler.
Kvarker, farve og sammensatte fermioner
Kvarker bærer ud over elektrisk ladning også en stærk interaktionskvantetal kaldet "farve" (color) og er underlagt kvantekromodynamikken, som betyder, at kvarker er konfinerede og aldrig observeres isoleret under normale forhold. Kvarker binder sig sammen til sammensatte partikler: tre kvarker danner baryoner (f.eks. protoner og neutroner), som ofte har halvtals-spin og dermed er fermioner; kvark–antikvark-par danner mesoner, som typisk er bosoner eller kan have forskelligt spin afhængigt af kombinationen.
Konsekvenser i kosmologi og teknologi
Pauli-princippet og Fermi-Dirac-statistikken har store konsekvenser: elektron-degenerationspres holder hvide dværge oppe mod tyngdekraften, og neutron-degenerationspres gør det samme i neutronstjerner. I teknologiske og eksperimentelle sammenhænge er forståelsen af fermioners spin og statistikker afgørende for partikeldetektorer, halvlederfysik og kvanteinformation, hvor fermioners egenskaber bestemmer, hvordan elektroner udfylder bånd i materialer.
Supersymmetri
Det supersymmetriske modstykke til en fermion kaldes en "sfermion" (en bosonisk superpartner). Supersymmetri er endnu ikke eksperimentelt bekræftet; hvis den findes, ville hver fermion få en partner med heltals-spin.
Samlet set er fermioner de partikler, der bygger alt stof omkring os, og deres halvtals-spin og tilhørende statistiske regler ligger til grund for både kemi, materialeegenskaber og ekstrem astrofysik.
Spørgsmål og svar
Spørgsmål: Hvad er en fermion?
A: En fermion er en kategori af elementarpartikler, der er meget små og lette. De kan betragtes som stofets byggesten, fordi atomer er opbygget af dem.
Sp: Hvem har givet dem navnet fermioner?
Svar: Paul Dirac kaldte dem fermioner til ære for den berømte videnskabsmand Enrico Fermi.
Sp: Er en elektron en fermion?
Svar: Ja, en elektron (en ladet partikel) er en type fermion.
Spørgsmål: Kan to fermioner dele den samme kvantetilstand?
A: Nej, fordi deres spin-tal ikke er et helt tal, følger de Pauli-eksklusionsprincippet, som siger, at to fermioner ikke kan dele den samme kvantetilstand, hvis de har samme kvantetal som f.eks. spin.
Spørgsmål: Hvor mange forskellige fundamentale fermioner er der?
Svar: Der findes 24 forskellige fundamentale fermioner - 6 kvarker og 6 leptoner plus deres tilhørende antipartikler.
Spørgsmål: Hvad er forskellen mellem kvarker og leptoner med samme ladning?
A: Den væsentligste forskel mellem kvarker eller leptoner med samme ladning er deres masse.
Spørgsmål: Hvad er en sfermion? Svar: Den supersymmetriske modpart til en fermion kaldes en "sfermion".
Søge